Fachhochschule Augsburg, Fachbereich Maschinenbau, Studienschwerpunkt: Ingenieurinformatik. Die vollständige Diplomarbeit ist gegen eine Schutzgebühr von 30 Euro als PDF-Dokument erhältlich.
Diplomarbeit
zur Erlangung des Grades „Diplom–Ingenieur (FH)“
vorgelegt von: "Mike"
Betreuer: Prof. Dr. Franz Obinger
Dipl.-Ing. Johann von Pieverling
vorgelegt am: 30. April 2001
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Fachbereich Maschinenbau Studienschwerpunkt: Ingenieurinformatik |
Fachhochschule Augsburg Hochschule für Technik–Wirtschaft–Gestaltung University of Applied Sciences |
Erklärung
Ich versichere, dass ich diese Diplomarbeit mit dem Thema „Methode zur Unterstützung der Entscheidung zwischen generativer oder erosiver Fertigung bei der Herstellung von Formeinsätzen“ selbständig verfasst, noch nicht anderweitig für Prüfungszwecke vorgelegt, keine anderen als die angegebenen Quellen oder Hilfsmittel benützt sowie wörtliche und sinngemäße Zitate als solche gekennzeichnet habe.
Augsburg, den 30.04.2001
0.1 Thematik
0.2 Abgrenzung
0.3 Vorgehen
0.4 Beteiligte Unternehmen
1.1 Hochgeschwindigkeitsfräsen
1.2 Funkenerodieren
1.3 Indirektes Metall-Laser-Sintern
1.4 Vergleich der beiden Fertigungsverfahren
2 DATENBASIS
2.1 Zur Verfügung stehende Bauteile
2.2 Realer Fertigungsvorgang beim Fräsen und Erodieren
2.3 Fertigungsdauer (Exemplarisch)
2.4 Fertigungskosten (Exemplarisch)
2.5 Gegenüberstellung Zeiten zu Kosten
2.6 Realer Fertigunsvorgang beim Lasersintern
2.7 Fertigungsdauer (Exemplarisch)
2.8 Fertigungskosten (Exemplarisch)
2.9 Gegenüberstellung aller ermittelter Werte
3 AUSARBEITUNG WICHTIGER PARAMETER
3.1 Grundlage
3.2 Auswahl von Parametern
3.3 Trends in zeitabhängigkeit
3.4 Trends in Kostenabhängigkeit
4 ANSATZ
4.1 Möglichkeiten
4.2 Ausführung
4.3 ERGEBNIS
4.4 Abschätzung der Sicherheit
4.5 Vergleich mit Lasersintern
5 FORMULIERUNG DES ENTSCHEIDUNGSMERKMALS
6 ANPASSUNG AN ANDERE FERTIGUNGSVERHÄLTNISSE
7 DISKUSSION DER ERGEBNISSE
ABBILDUNGSVERZEICHNIS
TABELLENVERZEICHNIS
GLEICHUNGSVERZEICHNIS
BIBLIOGRAPHIE DER BENUTZTEN UND ZITIERTEN LITERATUR
ANHANG
Vorliegende Diplomarbeit wurde im Zeitraum von Februar 2000 bis April 2001 am Institut für Werkzeugmaschinen und Betriebswissenschaften Augsburg (iwb) der Technischen Universität München angefertigt. Maßgeblich beteiligt war auch die Firma apppex GmbH in München.
Angestoßen wurde diese Arbeit durch meine Tätigkeit als Praktikant am iwb Augsburg im Wintersemester 1999/ 2000, wo meine Aufgaben in der Erfassung der Fertigungszeiten und -kosten von Bauteilen lagen. Diese zeitraubende und aufwändige Tätigkeit, die im Kapitel 2 wieder auftaucht, warf die Fragestellung auf, ob sich nicht eine einfache Möglichkeit finden ließe, um diese Berechnungen abzukürzen. So war damit der Anstoß zur vorliegenden Aufgabenstellung gegeben.
Gleichzeitig konnte so bereits vorab eine Einarbeitung in die Herstellungsmethoden mit deren systematischen Abfolgen und Erfordernissen erfolgen und deren Analyse begonnen werden, was die nachfolgenden Ausführungen überhaupt erst möglich gemacht hat. Ohne diese Vorarbeiten wäre der Rahmen der Diplomarbeit zu umfangreich geworden.
Unterstützt wurde ich dabei vor allem von meinen Betreuern, Herrn Prof. Dr. Franz Obinger, Fachhochschule Augsburg und Herrn Dipl.-Ing. Johann von Pieverling, zunächst in seiner Funktion als Assistent am iwb Augsburg, später als Mitarbeiter und Gesellschafter bei apppex. Ihnen gilt mein besonderer Dank. Weiterhin bedanke ich mich für die Hilfe und Unterstützung bei Dipl.-Ing. Andreas Müller, den Mitarbeitern am iwb Augsburg und bei apppex GmbH sowie bei allen anderen Beteiligten, die mir als Ratgeber oder Korrektoren zur Seite standen.
Bei der Herstellung von Spritz- und Druckgussbauteilen werden oft sogenannte Prototypenserien oder Vorserien der Bauteile aufgelegt. Dadurch kann vorab die Konstruktion und Ausführung der Gießwerkzeuge und das Aussehen des Produkts kontrolliert werden. Die so gewonnenen Erkenntnisse fließen sodann gleich in die Gestaltung der endgültigen Serienwerkzeuge mit ein, die dementsprechend meist fehlerlos für die endgültige Produktionsserie konstruiert und gefertigt werden können. Da dieser Vorgang im Produktentstehungszyklus der Fertigung vorgeschaltet ist, spielt eine rasche Herstellung dieser Prototypen- und Vorserienwerkzeuge eine sehr große Rolle. Besonders der Fertigung der Formeinsätze, die die Bauteilgestalt im Negativen abbilden und den zentralen Bestandteil eines Gießwerkzeugs darstellen, kommt dabei eine Schlüsselrolle zu, da deren Herstellung einen besonders hohen Zeitfaktor darstellt. Die anderen Bestandteile des Spritz- oder Druckgusswerkzeugs werden üblicherweise größtenteils aus Normalien zusammengestellt und fallen zeitlich weniger ins Gewicht.
Bei der Herstellung dieser Formeinsätze wird normalerweise auf das Verfahren des Funken-Senkerodierens mit vorangehender frästechnischer Bearbeitung zurückgegriffen. Diese Technik erlaubt bei hoher Präzision eine Gestaltung komplexer Formen auch in hochfesten Werkstoffen, wenn auch mit zum Teil hohem technischen und zeitlichen Aufwand. In der Prototypen- und Vorserienfertigung von Formeinsätzen sind jedoch höchste Festigkeitsforderungen des Zielwerkstoffs häufig nicht so sehr ausschlaggebend. Hier spielt nicht die mit einem Werkzeug maximal erzielbare Stückzahl die größte Rolle, sondern vielmehr die Zeit zur Herstellung des Prototypen- oder Vorserienwerkzeugs. Daher bietet sich gerade dort ein neuartiges, generatives Herstellungsverfahren als Alternative an: das indirekte Metall-Lasersintern. Diese Technik lässt eine vollkommen freie Gestaltung der Zielgeometrie zu, was jedoch zum Teil noch mit höheren Toleranzen und geringerer Festigkeit als bei konventioneller spanabtragender Bearbeitung erkauft werden muss.
Dies führt zur Frage, unter welchen Umständen ein Formeinsatz schneller und kostengünstiger mit dem einen oder dem anderen Fertigungsverfahren hergestellt werden kann. Diese zunächst einfach erscheinende Frage wird komplexer, wenn man sich vor Augen hält, dass die Zeit zur Herstellung eines Formeinsatzes durch Funkenerosion bisher nur sehr unzureichend berechenbar war. Außerdem soll die Entscheidung für die günstigere Alternative natürlich präventiv gefällt werden können. Ein möglicher Ansatz zur Lösung dieser Problematik soll durch diese Diplomarbeit konzipiert werden.
Es ist allgemein bekannt, dass bei geeigneter Geometrie Formeinsätze am wirtschaftlichsten frästechnisch zu fertigen sind. Daher beschränkt sich diese Diplomarbeit auf die Analyse von Werkzeugen, die bei konventioneller Herstellung neben dem Fräsen eine zusätzliche Bearbeitung durch mindestens eine Elektrode erfordern.
Weiterhin steht fest, dass dem indirekten Metall-Lasersintern verfahrenstechnisch derzeit noch bestimmte Grenzen gesetzt sind. So ist das Verfahren vor allem auf Bauteile mit nicht zu engen Toleranzen beschränkt, die auch nicht zu hohe Festigkeitswerte erfordern. Diese Beschränkungen und Grenzen sind bereits hinlänglich bekannt, und verändern sich geringfügig durch die kontinuierliche Weiterentwicklung des Verfahrens. Sie sind nicht Bestandteil dieser Diplomarbeit, werden jedoch aus Gründen der Vollständigkeit im Kapitel 1.4: Vergleich der beiden Fertigungsverfahren für den derzeitigen Entwicklungsstand der Technologie exemplarisch aufgeführt. Ansonsten wird für den Vergleich und die Entwicklung des Entscheidungsmerkmals davon ausgegangen, dass für ein spezifisches Bauteil mit spezifischem Einsatzzweck die beiden Fertigungsverfahren gleichberechtigt nebeneinander verwendet werden könnten. Auf welche Art und Weise dieses Bauteil also wirtschaftlicher hergestellt werden kann, ist dann nur eine Frage der Fertigungsdauer und -kosten, sowie eine Frage des individuellen Maschinenparks und dessen Auslastung. Die vorliegende Arbeit beschränkt sich in ihren Aussagen auf eben diesen Fall.
Um innerhalb dieser Fragestellung zu Ergebnissen zu gelangen, mussten empirisch ermittelte Daten von Bauteilen herangezogen werden, die durch Funkenerosion beziehungsweise Metall-Lasersintern hergestellt worden waren. Eine rein analytische Betrachtungsweise wäre hier nicht zu aussagefähigen Ergebnissen gelangt, da das Fertigungsverfahren Funkenerosion sehr stark von der Geometriekontur abhängt, die das herzustellende Bauteil mit sich bringt. Diese Abstraktion wäre dabei nicht ohne weiteres mit hinreichender Genauigkeit auf die Realität übertragbar gewesen. Daher wurde in einem ersten Schritt eine Datenbasis erstellt mit systematischer Einordnung und Analyse auf Grundlage realer Bauteile, die in der Firma apppex tatsächlich gefertigt wurden. Darin enthalten sind die spezifischen Merkmale dieser Baueile, sowie die ermittelten Fertigungszeiten und Kosten für die Herstellung durch beide Fertigungsarten und deren Dokumentation. Für diese Erhebung wurden CAD-Systeme, NC-Programmiersysteme, Kalkulationsschemata und Berechnungsblätter eingesetzt. Diese so gewonnenen Werte wurden so weit wie möglich den tatsächlichen, in der Fertigung erreichten Zeiten angepasst und einander gegenübergestellt. Erfahrungswerte der Mitarbeiter von apppex flossen ebenfalls mit ein.
Um zu einer Entscheidungsmethode zu gelangen, wurden in einem weiteren Schritt die ermittelten Zeit- und Kostenwerte bezüglich der charakteristischen Geometriedaten verglichen. Die Möglichkeiten zur Kombination mehrerer Kennzahlen in einem Algorithmus wurden ebenfalls überprüft. Für allgemeinere Aussagen wurden zudem die so gewonnenen Erkenntnisse durch Anpassung an veränderte Verhältnisse weiterentwickelt und für eine einfache Angleichung an Verhältnisse in anderen Produktionsstätten aufbereitet.
Das iwb Anwenderzentrum Augsburg, auf dem Gelände des Glaspalastes im Augsburger Textilviertel, nahm 1994 seine Arbeit auf und ist eine Forschungseinrichtung des Bundeslandes Bayern. Es handelt sich dabei um ein Projekt des Instituts für Werkzeugmaschinen und Betriebswissenschaften (iwb) der Technischen Universität München. Im Rahmen seiner Tätigkeit konzentriert sich das iwb Anwenderzentrum vor allem darauf, die mittelständische Wirtschaft in der Region Augsburg/ Schwaben auf dem Gebiet der Produktionstechnik zu unterstützen. Mit diesem Anwenderzentrum geht die Hochschule erstmals direkt auf die Unternehmen in einer Region zu und schafft damit die Voraussetzungen für eine intensive Zusammenarbeit von Forschung und Industrie [Reinhart 1998].
Zielsetzung des iwb Anwenderzentrums ist es, anwendernahes produktionstechnisches Wissen zu erarbeiten und es kleinen und mittelständischen Unternehmen durch schnellen und unbürokratischen Technologietransfer zur Verfügung zu stellen. Das iwb Anwenderzentrum leistet mit den ihm zur Verfügung stehenden Ressourcen Grundlagenarbeit, um der Industrie neue Technologien einsatzbereit zur Verfügung zu stellen. Daneben setzt das Anwenderzentrum auf eine enge, partnerschaftliche Zusammenarbeit mit der Industrie, um bei der Bewältigung vorhandener produktionstechnischer Fragen zu helfen. Je nach Art der Problemstellung steht interessierten Unternehmen eine Bandbreite unterschiedlicher Kooperationsmöglichkeiten zur Verfügung [Reinhart 1998]. Darunter sind Seminare für die Mitarbeiterschulung der Unternehmen, aber auch die Bildung von Arbeitskreisen, um spezielles Know-how zu erwerben und an den Erfahrungen anderer Unternehmen zu partizipieren.
Darüber hinaus leistet das iwb Anwenderzentrum auch einen Beitrag zur Ausbildung des Ingenieursnachwuchses in der Region. Es bietet Studenten aus der Region die Möglichkeit, am Anwenderzentrum ihre Semester- und Diplomarbeiten zu machen. Ebenso betreut das iwb Anwenderzentrum Studenten der Fachhochschule Augsburg bei der Ableistung ihres 2. Praxissemesters [Reinhart 1998].
Diese bis Ende 2000 beim iwb in Augsburg ansässige Firma existiert seit 1998 und ist als SpinOff durch das am iwb entwickelt Know-how entstanden. Heute befindet sich apppex mit eigenen Geschäftsräumen und Produktionsstätten in München. Hinter dem Namen apppex stehen die Begriffe Product Development, Prototypes, Parts. Das Unternehmen beschäftigt sich also maßgeblich mit der Herstellung von Prototypenwerkzeugen für Kunststoffspritz- und Leichtmetalldruckguss im Auftrag anderer Firmen. Ausgehend von den vom Auftraggeber gelieferten Geometriedaten des gewünschten Spritz- oder Druckgussteils konzipieren, konstruieren und fertigen die Mitarbeiter von apppex das gesamte Spritz-/ Druckgusswerkzeug mit Formeinsätzen, Formrahmen, Führungen, Auswerfer und Aufspannplatten. Durch den Einsatz moderner Technologien wie Rapid Tooling und Rapid Manufacturing, basierend auf einer möglichst einheitlichen CAD/CAM Datenbasis kann apppex Durchlaufzeiten von ein bis zwei Wochen für einfache Teile und vier bis sechs Wochen für komplizierte Teile von der Auftragsannahme bis zur Auslieferung einhalten. Die hierarchienarme Struktur der Mitarbeiter ist dabei ebenso hilfreich wie deren Kompetenz, die manche aus ihrer früheren oder noch bestehenden Tätigkeit am iwb mitgebracht haben. So konnte sich apppex einen guten Ruf und Namen selbst bei großen Firmen der Automobilbranche verschaffen [apppex 1999].
Innerhalb dieser sich teilweise überschneidenden Tätigkeit zwischen iwb und apppex kam es zu der oben beschriebenen Fragestellung, die in vorliegender Diplomarbeit behandelt wird.
HSC-Fräsen, Fachbegriff für Hochgeschwindigkeitsfräsen (englisch: High-Speed-Cutting), ist ein modernes Fertigungsverfahren, das in die Gruppe der spanenden Fertigungsverfahren mit geometrisch bestimmter Schneide einzuordnen ist. Es unterscheidet sich vom Grundprinzip her nicht vom konventionellen Fräsen. Auch hier wird mittels eines rotierenden Schneidwerkzeugs mit mehreren definierten Schneiden (Fräser) Material vom Werkstück entfernt (zerspant). Jedoch werden beim HSC-Fräsen um den Faktor fünf bis zehn mal höhere Schnittgeschwindigkeiten und Vorschübe als bei der konventionellen Bearbeitung eingesetzt. Sie liegen damit für den Werkstoff Stahl üblicherweise zwischen 500 und 1.500 m/min, teilweise auch höher. Zur Veranschaulichung ergibt dies für einen Fräser mit 6 mm Durchmesser eine Drehzahl von etwa 40.000 Umdrehungen pro Minute. Diese hohen Schnittgeschwindigkeiten werden mit hohen Vorschubgeschwindigkeiten kombiniert. Auch diese werden gegenüber der konventionellen Bearbeitung um den Faktor fünf bis zehn erhöht und liegen damit etwa zwischen 2 und 20 m/min. Allerdings gibt es auch Anwendungen, die diese sehr hohen Geschwindigkeiten nicht erreichen. Hier spricht man vom Übergangsbereich zwischen Hochgeschwindigkeits- und konventionellem Fräsen. Aber auch hier profitiert man von den Vorteilen, die die Bearbeitungsstrategie Hochgeschwindigkeitsbearbeitung bietet (vgl. Kapitel 1.1.3) [Schulz 1996].
HSC-Fräsen basiert vor allem auf der Reduzierung der bei der Zerspanung entstehenden Wärmemenge, die das Werkzeug schwächt. Bei konventioneller Bearbeitung steigt die Temperatur des Werkstücks, der Späne und des Werkzeugs mit zunehmender Schnittgeschwindigkeit und abnehmender Spanungsdicke immer weiter. Erhöht man aber die Vorschubgeschwindigkeit um das fünf bis zehnfache, wie das beim HSC-Fräsen der Fall ist, so nimmt die Temperatur an den Schneiden nur geringfügig zu. Der Grund hierfür liegt darin, dass die Vorschubgeschwindigkeit die Wärmeleitgeschwindigkeit des zerspanten Grundwerkstoffs übersteigt. Der Fräser „eilt“ der Wärmeausbreitung voraus. Damit wird die Ausbreitung der in der Kontaktzone entstehenden Wärmemenge in den Grundwerkstoff des Werkstückes und des Fräsers größtenteils verhindert und der Hauptanteil der Schnittwärme über den Span abgeführt. Der Werkzeugstandweg erhöht sich dadurch erheblich [Gebhardt 1996]. Die nachstehend abgedruckte Abbildung 1-1 verdeutlicht dies.
Abbildung 1-1: Prinzip des HSC-Fräsens
Allgemein lassen sich durch HSC-Fräsen im Vergleich zum konventionellen Fräsen sehr kurze Hauptzeiten erzielen, die entsprechend der eingestellten Parameter um das fünf bis zehnfache geringer sind (bei sonst gleichen Zerspanungsbedingungen im Rahmen der Möglichkeiten). Allerdings wird im Werkzeugbau, wo häufig komplexe Formen und Freiformflächen hergestellt werden müssen, eine andere Strategie eingesetzt. Um eine teure, zeitaufwändige, manuelle Nacharbeit zu vermeiden, verringert man beim Fräsen die Zeilenbreite ae. Die Zeilenbreite ae ist der Abstand zwischen zwei parallel nebeneinander liegender Fräsermittelpunktsbahnen. Da zur Herstellung von Freiformflächen Kugelkopffräser oder Torusfräser verwendet werden, die bei jeder Fräserbahn eine Schalenform hinterlassen wie in Abbildung 1-2 dargestellt, verringert sich so bei kleinerer Zeilenbreite ae die theoretische Rautiefe Rth über die Beziehung nach Gleichung 1-1:
Gleichung 1-1: Rautiefe beim Fräsen mit Torusfräser
Abbildung 1-2: Oberfläche beim Fräsen
Auf diese Art und Weise kann man bei gleichbleibender Hauptzeit manuelle Nacharbeit vermeiden und dadurch Kosten einsparen.
Weitere Vorteile ergeben sich durch die Bearbeitung im schwingungsüberkritischen Bereich, da im Allgemeinen bei so hohen Drehzahlen, wie sie beim HSC-Fräsen angewendet werden, die Resonanzfrequenzen des Werkstücks, des Werkzeugs und der Maschinenkomponenten weitgehend überschritten werden. Gleichzeitig können durch kleine Spanungsquerschnitte die Zerspankräfte gering gehalten werden, was der Maßhaltigkeit des Bauteils zu Gute kommt. Außerdem ist das Problem der Wärmeentwicklung minimiert, wie schon im vorigen Abschnitt beschrieben.
Aber die HSC-Bearbeitung birgt auch einen großen Nachteil in sich. Durch die Notwendigkeit, spezielle Hochgeschwindigkeits-Werkzeugspindeln einzusetzen, die für diese hohen Drehzahlen notwendig sind, können derzeit oft nur Werkzeuge mit Durchmessern von 15 bis 20 mm verwendet werden. So bietet sich manchmal eine vorgeschaltete konventionelle Zerspanung an. Nicht vergessen darf man natürlich auch die allgemeine Beschränkung des Fräsens auf Bauteile mit genügend großen Innenradien und einem möglichst großen
Verhältnis zwischen Eingriffsbreite zur Eingrifftiefe, um Fräser kurz spannen zu können. Dieses Manko ist auch beim HSC-Fräsen gegeben. Die beiden nachfolgend vorgestellten Verfahren hingegen unterliegen diesen Einschränkungen nicht.
Die Funkenerosion ist in den letzten Jahrzehnten zu einer etablierten, allgemein gebräuchlichen Technologie herangereift und wird in der Werkzeugformenindustrie als Standardverfahren eingesetzt. Die Funkenerosion ist ein abtragendes Bearbeitungsverfahren, das nach DIN 8580 zu den thermischen Abtrageverfahren gehört. Beim Erodieren entsteht ein Abtrag durch Wärmewirkung an der Arbeits- oder Wirkstelle (thermisches Abtragen). Die Wärme wird durch Funkenüberschlag aufgebracht. Der Funkenüberschlag wird erzeugt, indem zwischen Werkstück und Werkzeug eine Spannung aufgebaut wird, die den blitzartigen Überschlag auslöst. Durch eine Vielzahl solcher Entladungen kann dann beim Erodieren die gewünschte Bearbeitung realisiert werden [Paul 1985]. Werkzeug und Werkstück fungieren dabei als Elektroden, wobei die Werkzeugelektrode aus Kupfer oder Grafit bestehen kann.
Man unterscheidet zwischen funkenerosivem Schneiden und funkenerosivem Senken. Bei ersterem wird als Werkzeugelektrode ein numerisch gesteuerter Draht verwendet, bei letzterem ein Negativform des gewünschten Bauteils. Bei modernen Erodiermaschinen können auch durch CNC-Steuerungen mit einer Rechteck- oder Stabelektrode zum Teil komplexe geometrische Formen erzeugt werden. Auch heutige Drahterodiermaschinen können sehr viel mehr, als nur gerade Schnitte zu erzeugen.
Mittels eines Generators produzierte Funken erzeugen in regelmäßigen Intervallen eine Aufeinanderfolge von Kratern im Werkstück. Dabei entstehen Tem-
peraturen zwischen 8.000 und 12.000 °C. Die Größe des Kraters hängt von der Energie ab, die mittels des Funkengenerators geregelt wird. Die Funkenreichweite variiert zwischen einigen Mikrometern und einem Millimeter.
Der physikalische Prozess der Funkenerosion umfasst folgende sechs Phasen:
1. Annäherung der Elektrode an das Werkstück. Beide Elemente sind spannungsführend.
Abbildung 1-3: Funkenerosion Werkstückannäherung
2. Konzentration des elektrischen Feldes an der Stelle, wo der Elektroden-Werkstück-Raum am schwächsten ist.
Abbildung 1-4: Funkenerosion Feldkonzentration
3. Bildung eines ionisierten Kanals zwischen Elektrode und Werkstück.
Abbildung 1-5: Funkenerosion Ionisierung
4. Überschlag des Funkens. Das Werkstückmaterial schmilzt lokal, verglüht. Die Elektrode erfährt einen geringfügigen Verschleiß. Es entsteht eine Dampfblase durch das verdampfende Dielektrikum.
Abbildung 1-6: Funkenerosion Funkenüberschlag
5. Unterbrechung des Stroms. Implosion des Funkens und der Dampfblase. Dadurch wird die Schmelze aus dem Krater geschleudert.
Abbildung 1-7: Funkenerosion Funkenimplosion
6. Abtransport der Metallpartikel mittels Dielektrikumspülung.
Abbildung 1-8: Funkenerosion Spülung
Die Oberflächengüten hängen von der Dimension der Funken ab. Sind diese energiereich, wird die Oberflächengüte grob sein, die Bearbeitungsgeschwindigkeit hingegen schnell. Sind die Funken energiearm, wird die Oberflächengüte fein sein, die Bearbeitungsgeschwindigkeit hingegen langsam. Die feinsten Oberflächengüten können einen Ra-Wert von 0,10 erreichen. Der visuelle Effekt kommt dem der Spiegelpolitur nahe. Die leicht zu erzielenden Standard-Oberflächengüten entsprechen einem Ra-Wert von 0,8/1 (N5 - N6). Die Bearbeitungsgeschwindigkeiten in der Elektroerosion sind mäßig. In Abhängigkeit von der Energie der Entladungen reicht der Materialabtrag von einem bis mehreren tausend mm³/min. Trotz des Einsatzes elektrischer Entladungen stellt das Verfahren keine Gefahr für den Benutzer oder für die Umwelt dar [Paul 1985] [Feurer 1983].
In der Praxis werden zum Senkerodieren normalerweise mindestens zwei Elektroden mit verschiedenen Untermaßen hergestellt. Mittels der ersten wird der Hauptteil des Materialabtrags vorgenommen. Diese Elektrode verschleißt dabei je nach Erodiergeschwindigkeit sehr stark. Die zweite Elektrode schlichtet dann die verbliebenen Aufmaße und erzeugt die gewünschte Oberfläche. Dazu wird normalerweise eine geringe Stromstärke verwendet und zum Teil eine zusätzliche Planetärbewegung eingesetzt, bei der die Elektrode leicht zirkulierend bewegt wird, um die exakte Maßhaltigkeit zu gewährleisten.
Funkenerosion wird heutzutage in sehr vielen Bereichen der Industrie eingesetzt. Der klassische Einsatz findet sich im Formenbau, wo bisher keine andere Fertigungstechnologie die Möglichkeiten des Funkenerodierens bot. Die Maschinen dazu sind kompakt, robust und langlebig. Die zunehmende Verwendung von automatischen Elektrodenwechselsystemen und genormten Werkzeugaufnahmen ermöglicht einen sehr hohen Automatisierungsgrad. Offlineprogrammierung der Fertigungsprogramme ist an der Tagesordnung. Weitergehende Entwicklungen durch eine sogenannte Planetärbewegung der Elektrode (beziehungsweise des Werkstücks) ermöglichen oft bereits eine Elektrodenherstellung der Schrupp- und Schlichtelektrode mit gleichem Untermaß. Manche Formen können bereits durch die Verwendung von einfachen Stabelektroden mit entsprechender Steuerung hergestellt werden.
Beim indirekten, selektiven Metall-Lasersinterprozess werden kunststoffbeschichtete Stahlkügelchen durch einen Laserstrahl und nachgeschaltete Ofenprozesse mit Infiltration durch Bronze so miteinander verschmolzen, dass ein kompaktes Bauteil daraus entsteht. Diese Technologie ist ein sehr neues Verfahren, das erst durch moderne Computer- und Lasertechnologien möglich gemacht wurde. Es zählt zu den generativen Fertigungsverfahren und ist nach DIN 8580 dem Urformen aus dem festen Zustand zugeordnet. Der Lasersinterprozess wird auch zur Herstellung von Prototypen-Modellen aus Kunststoff verwendet, und auch der direkte Metall-Lasersinterprozess ist bekannt, bei dem das Modell aus Polystyrol direkt, also ohne Ofenprozess hergestellt, und erst durch einen Abgussprozess das gewünschte Bauteil gewonnen wird. Diese hier vorliegende Diplomarbeit beschränkt sich auf den indirekten, selektiven Metall-Lasersinterprozess. Neben anderen Fertigungsmöglichkeiten gehört er zu den vielversprechendsten für kommerziellen Einsatz. Berücksichtigt wird das Verfahren Laserform™ St-100 der Firma DTM GmbH, Hilden, Deutschland. Es handelt sich dabei um einen Nachfolger aus Rapid Steel™ 2.0. Daraus ergibt sich die Verwendung einer Sintermaschine und der zugehörigen Materialien aus dem Hause DTM sowie einem bestimmten Ofenprogramm.
Das Bauteil wird bei dieser Technologie schichtweise hergestellt. Dazu müssen zuerst die Daten des 3D-CAD-Volumenmodells in ein Schichtenmodell umgerechnet werden („Slicen“). Dies geschieht üblicherweise in der Lasersintermaschine selbst. Die Ausgangsdaten müssen an die Maschine im sogenannten STL-Format geschickt werden, bei dem die Geometrie durch Dreiecke mit einem vorher zu wählenden Sekantenfehler angenähert wird. Das Schichtenmodell wird dann automatisch generiert und der Maschinensteuerung schichtweise übergeben.
Die Partikel des Laserform™ St-100-Pulvers liegen anfangs lose nebeneinander. Sie bestehen aus Stahlpartikeln mit verschiedenen Durchmessern von um 50 mm und sind von einer dünnen Polymerschicht ummantelt. Ein Laserstrahl fährt die vorher berechnete Schicht ab und schmilzt an der Oberfläche die Kunststoffschicht und damit die Partikel selbst örtlich begrenzt (selektiv) zusammen, so dass eine feste Schicht entsteht. Jetzt wird durch eine Walze die nächste Partikelschicht auf die erzeugte Schicht und das umliegende lose Material aufgetragen. Der Laserstrahl fährt diese Schicht entsprechend der Geometrie ab und verbindet diese auch mit der darunter liegenden. So wird das Bauteil Schicht für Schicht aufgebaut, was schematisch wie in Abbildung 1-9 aussieht. Resultat ist der Grünling [Gebhardt 1996] (vgl. Abbildung 1-10).
Abbildung 1-9: Schematischer Laserprozess
Abbildung 1-10: Metall-Lasersintermaterial als Rohmaterial (lose, links) und nach dem Verschmelzen durch Lasereinwirkung (Grünling, rechts) [Seitz 1997]
Daraufhin folgt der Ofenprozess. Er dient zum Austreiben des Polymerbinders und zum Versintern des Metallpulvers. Bei schrittweiser Erhöhung der Temperatur verdampft zunächst der Binder, dann beginnt das Metallpulver zu versintern. Anschließend beziehungsweise gleichzeitig dazu beginnt die Bronze (CuSn10), das Bauteil zu infiltrieren. Nach langsamer Abkühlung kann man das fertige Bauteil unterhalb von 200°C aus dem Ofen nehmen. Eine abschließende Nachbearbeitung ist notwendig [Lorenzen 1998] [Reinhart 1998]. Es entsteht ein kompaktes Gefüge aus Stahl und Bronze. Die maßgeblichen Materialeigenschaften werden dabei vom Material Stahl getragen. Im Gefügebild Abbildung 1-11 kann man erkennen, dass tatsächlich ein Großteil der Stahlbestandteile miteinander versintert sind.
Abbildung 1-11: Gefügebild Lasersinterbauteil nach Fertigstellung, vermutlich Rapid Steel™ 2.0 [Birkel 1998]
Ein wichtiger Vorteil des indirekten, selektiven Metall-Lasersinterprozesses ist die Möglichkeit, beliebige Geometrien herzustellen. Hinterschneidungen, komplizierte Verrippungen und selbst abgeschlossene Hohlräume stellen kein Problem dar und die Komplexität hat nur wenig Einfluss auf die Kosten. Das nicht verwendete Formpulver kann wiederverwendet werden, der gesamte Vorgang benötigt meist nicht länger als fünf bis acht Tage.
Das Verfahren ist, wie bereits erwähnt, ein relativ neues Verfahren und unterliegt derzeit noch einem ständigen Wandel durch schrittweise, kontinuierliche Verbesserung der Parameter, des Materials und der Maschinen, was den Umgang mit diesem Fertigungsverfahren nicht immer einfach macht.
[...]
Die Herstellung von Bauteilen durch indirektes Metall-Lasersintern eröffnet neue Möglichkeiten in gestalterischer und konzeptioneller Hinsicht. Vor allem bei der Herstellung von Formeinsätzen entwickelt sich Metall-Lasersintern zu einem Konkurrenten für Herstellung durch Fräsen und Funkenerodieren. Derzeit stellt sich jedoch neben technologischen Einschränkungen wie mäßiger Festigkeit und hohen Toleranzen hauptsächlich die Frage, ob ein Bauteil schneller oder wirtschaftlicher durch Lasersintern gefertigt werden kann als durch traditionelle Verfahren. Diese Frage kann aber nur beantwortet werden, wenn ein Weg gefunden wird, die Herstellungszeit und die Kosten beim Fräsen und Erodieren vorab zu berechnen. Vorliegende Diplomarbeit liefert einen Beitrag für dieses Ziel.
Es wurde festgestellt, dass die Fertigungszeit und damit die Kosten bei Metall-Lasersintern sehr genau berechenbar sind. Für die Zeit- und Kostenberechnung bei Fräsen und Funkenerodieren wurde eine analytisch-empirische Regressionsanalyse durchgeführt. Grundlage waren dabei 18 reale Bauteile. So konnten Gleichungen gefunden werden, die Zeit und Kosten von Fräs-/ Erodierbauteilen im voraus einfach ermitteln lassen unter Berücksichtigung einer gewissen Toleranz (Standardfehler). Dies war bisher nicht möglich oder nur sehr ungenau bei hohem zeitlichen Aufwand.
Weiterhin wurde gezeigt, dass diese Gleichungen bei vertretbarem Aufwand auf andere Verhältnisse in verschiedenen Fertigungseinrichtungen (Firmen) anpassbar und dadurch nahezu universell einsetzbar sind.
Dadurch konnte bei technologischer Eignung des Fertigungsverfahrens Metall-Lasersintern ein Entscheidungsablauf konzipiert werden, der es in vielen Fällen auf einfache Weise ermöglicht, auf einem mindestens 75-prozentigen Vertrauensniveau dasjenige Herstellungsverfahren auszuwählen, das schneller beziehungsweise kostengünstiger fertigt, also entweder Fräsen allein, Fräsen und Funkenerodieren oder indirektes Metall-Lasersintern. Meist liegt das Vertrauensniveau sogar noch höher.
[...]
[AGIE 1994] AGIE Charmilles Group. 1994. K7.2 Planung und Technologie-Tabellen. 09.94
[AGIE 2000] AGIE Charmilles Group. 2000. Ausführungen auf der Hausmesse der Firma Charmilles am 25.02.2000. Fellbach.
[AGIE 2001] Homepage der AGIE Charmilles Group: „AGIE GmbH (Deutschland) – Homepage“ 19.03.2001. <http://www.agie.de/index_de.html> (28.03.2001)
[apppex 2001] Homepage der Firma apppex: „Willkommen bei apppex“ 30.01.2001. <http://www.apppex.de/> ( 28.03.2001).
[Birkel 1998] Birkel, T., Kaufmann M. 1998. Rapid Prototyping, Projektarbeit WS 1997/98. Fachhochschule Vorarlberg. <http://www.students.fh-vorarlberg.ac.at/~fa96x20/projekte/rp/ rp.htm> (28.03.2001).
[Bohley 1996] Bohley, P. 1996. Statistik – Einführendes Lehrbuch für Wirtschafts- und Sozialwissenschaftler. 6. Auflage. München/Wien: R. Oldenbourg Verlag.
[Chatterjee 1995] Chatterjee, S. und Price, B. 1995. Praxis der Regressionsanalyse. 2. Auflage. München/Wien: R. Oldenbourg Verlag.
[Feurer 1983] Feurer, M. 1983. Elektroerosive Metallbearbeitung: Materialabtrag durch Funkenerosion. Würzburg: Vogel-Buchverlag.
[Gebhardt 1996] Gebhardt, A. 1996. Rapid Prototyping: Werkzeug für die schnelle Produktentwicklung. München/Wien: Carl Hanser Verlag.
[Grob 1995] Grob, H. L. 1995. Einführung in die Investitionsrechnung. 2. Auflage. München: Franz Vahlen Verlag. S. 9 ff.
[iwb 2001] Homepage des iwb Augsburg: „Willkommen im iwb Anwenderzentrum Augsburg“ 22.03.2001. <http://aza-www.iwb.mw.tu-muenchen.de/welcome:Dg.html > (28.03.2001).
[Kuchling 1996] Kuchling, H. 1996. Taschenbuch der Physik. 16. Auflage. Leipzig: Fachbuchverlag Leipzig im Carl Hanser Verlag.
[Lorenzen 1998] Lorenzen, J., v. Pieverling J. 1998: Rapid Tooling – Ein Konzept zur schnellen Werkzeugherstellung. In: Reinhart, G.; Milberg, J. 1998. Rapid Tooling – neue Strategien für den Werkzeug- und Formenbau. iwb Seminarberichte 39
[Mückenheim 1996] Mückenheim, W. 1996. Physik-Praktikum: Schwingungen, Wellen, Quanten. Anleitung zum Physik-Praktikum für Studenten des Maschinenbaues mit 30 Abbildungen. 2. Auflage. Skriptum der Fachhochschule Augsburg.
[Murr 1999] Murr, O. 1999. Reaktionsfähige Produktion durch Rapid Manufacturing. iwb Seminarberichte 50: Rapid Manufacturing.
[Paul 1985] Paul, Kern, Leonhard 1985. Fa. AGIE AG: CNC-Ausbildung für die betriebliche Praxis. Teil 6: Erodieren. München/Wien: Carl Hanser Verlag.
[Reinhart 1998] Reinhart, G.; Lorenzen, J.; v. Pieverling, J.; Breitinger, F. 1998. Rapid Tooling - Technologien zur schnellen Herstellung von Prototypen. Darmstadt: Tagungsband des 3D Erfahrungsforum Werkzeug- und Formenbau.
[Schulz 1996] Schulz, H. 1996. Hochgeschwindigkeitsbearbeitung – High-Speed-Machining. München/Wien: Carl Hanser Verlag.
[Seitz 1997] Seitz, S. und Eßner, K. J. 1997. Der RapidTool Prozeß: Metallische Prototypenwerkzeugeinsätze für Metalldruckguß- und Kunststoffspritzgussanwendungen. Tagungsband Werkzeugbau-Kolloquium. S. 195 ff.
[Standop 1998] Standop, E. und Meyer, M. L. G. Die Form der wissenschaftlichen Arbeit.15. Auflage. Wiesbaden: Quelle & Meyer
[Tabellenbuch Metall 1994] Tabellenbuch Metall 1994. Tabellenbuch Metall. Tabellen - Formeln - Übersichten - Normen. 39. Auflage. Nourney: Europa Lehrmittel.
[Vollrath 2000] Vollrath, K. 2000. Lasersintern von Formen hat sich bewährt. VDI-Z Special Werkzeug-/ Formenbau. November 2000. S. 42 f.
[Warnecke 1993] Warnecke H.-J. 1993. Einführung in die Fertigungstechnik. 2. Auflage. Stuttgart: B.G. Teubner.
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